《Python程序设计》——第2章 核心对象、变量、输入和输出 2.1　数值

本节书摘来自华章计算机《Python程序设计》一书中的第2章，第2.1节，作者：[美]戴维 I.施奈德（David I. Schneider）著，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看

第2章 核心对象、变量、输入和输出

2.1　数值

计算机所处理的大量数据中均含有数值。在编程术语中，数值称为数字字面量（number literal）。本节将介绍对数值的各种操作以及数值显示的方式。
2.1.1　两种数值类型：整型和浮点型
一个没有小数点的数字称为整型（int，integer的简写），一个带有小数点的数字称为浮点型（float，floating-point的简写）。

2.1.2　算术运算符
五种基本的算术运算符是加、减、乘、除和幂运算。Python中加、减、除的运算符分别使用标准的符号+、–、/来表示。但是，用于表示乘法和幂运算的运算符，与通常的数学表示略有不同。

除法运算的结果通常是浮点型，即使结果商是一个整数。在其他运算中，如果参与运算的两个数有一个是浮点型，结果即为浮点型，否则结果为整型。
2.1.3　print函数
print函数用于在显示器上显示相应的数值。如果n是一个数字，那么下列语句

将显示数字n。由数字、算术运算符和括号可以组成用于计算的数值表达式。作用在表达式上的print函数将显示表达式计算后的结果。单个print函数还可以显示多个数值。如果m、 n、r、…是数值（或者数值表达式），那么语句

将依次显示数字（或者数值表达式的值），并用空格分隔。
print函数会触发一个换行操作（newline operation），意味着下一个print函数的输出将从新的一行开始。
例1　算术运算符
下面的程序分别使用了五种标准的算术运算符。[Run]表示执行程序（通过按键〈F5〉或者单击“Run”菜单下的“Run Module”命令）。紧随[Run]之后就是程序的输出结果。当计算2 * (3 + 4)时，括号中的部分将首先进行计算（括号中的表达式总是优先进行计算）。

提示：所有例子中出现的程序代码都可以从本书的合作站点上下载。具体可参见前言中的介绍。
2.1.4　变量
在求解数学问题时，量值通常使用一个名字来代表。例如，求解如下算术问题：“如果一辆汽车以50英里/小时的速度行驶，那么14小时后它能够行驶多远？”要解决这个问题，可以采用下面熟悉的公式
距离=速度×行驶时间
例2展示了如何使用Python程序来解决这个问题。
例2　行驶距离
下面的程序使用了速度和行驶时间来计算行驶距离。其中，被赋于数值的那些名称就称为变量。程序第一行的意思是创建（或声明）了变量speed并赋值为50。同样，第二行和第三行分别创建了其他的变量并进行了相应的赋值。

数值表达式中也可以使用变量。表达式的计算需要依次将每个变量替换为其值后再进行算术运算。一些使用变量的表达式如：(2 * distance) + 7、n + 1和(a + b) / 3。
一般而言，变量是一个名称，对应着储存在内存的一个数据。本节中的所有数据都是数值。下列的语句形式：
variableName = numericExpression
称为赋值语句。该语句首先计算等号右侧表达式的值，然后将其结果赋于左边的变量。当变量第一次出现在赋值语句的左边时，该变量即被创建。以后对该变量的赋值语句只是为这个变量赋予不同的值。事实上，每个变量均指向了一个存储其数值的内存地址。在表达式使用变量之前，该变量必须先使用赋值语句进行创建。
Python语言规定，变量名必须以字母或下划线开头，并且只能由字母、数字和下划线组成（最短的变量名可以只有一个字母）。有意义的变量名能够帮助其他人（或者稍后的你自己）轻易地回想起变量当初所代表的含义。一些有意义的变量名如：totalSales、rateOfChange和taxRate。作为约定，我们将变量名中除了首个单词外，每个单词的首字母大写，其他都使用小写字母。由于大写字母就像变量名中的驼峰一样，因此这种命名约定称为骆驼命名法（camel casing）。
Python是大小写敏感的，也意味着Python是区分大小写字母的。因此，变量名amount和Amount代表两个不同的变量。
Python中有33个具有特殊含义的单词，称为保留字（或者关键字）。保留字不可以作为变量名而使用。一些保留字如：return、for、while和def。附录B列出了所有的33个保留字。（提示：IDLE编辑器自动地使用橙色高亮显示保留字。）
2.1.5　abs、int与round函数
除了标准的算术运算之外，还有一些常用的运算用于处理数值类型的数据。例如，需要对数字进行四舍五入或者取其绝对值。这些操作可以通过内建函数来完成。与函数相关的有一个或多个数值称为输入，一个数值称为输出。函数可看做返回输出结果。下文中提到的三个函数均是数值输入和输出。
绝对值函数abs(x)就是|x|。该函数将负数中的负号去掉并保持其他部分不变。int函数将保持整数不变，并将浮点数通过丢弃小数部分转换为整数。round(n, r) 函数的结果是四舍五入保留数值n的小数点后r位，参数r可以省略。在这种情况下，n将四舍五入为整数。部分例子如下：

括号中的部分可以是数字（如上所示）、数值变量，或者数值表达式。对于表达式的情况，需要首先计算表达式的值来作为函数的输入。
例3　函数
下面的程序在表达式中分别使用了刚刚讲过的三个函数。

提示：与变量名类似，函数名是大小写敏感的。比如，round函数是不可以写成Round的。
2.1.6　增量赋值
由于赋值语句中赋值操作开始之前右边的表达式将首先进行计算，下列语句

是有意义的。它首先计算右侧表达式的值（也就是，在变量var的值上加1），然后再将求和结果赋给变量var。效果等价于对变量var进行了加1。从内存地址的角度上看，该语句从var的内存地址中取出其值，并计算var + 1，最后将求和结果存在一个内存地址。由于这种计算非常普遍，因此Python专门提供了一种特殊的运算符来执行这种运算。语句

可以用下列语句来替换

一般而言，如果n是一个数值，那么语句

将var的值加上n的值。运算符+=可看做执行了一个增量赋值。其他的增量赋值运算符有–=、=、/=和*=。
例4　增量赋值语句
下面的程序展示了不同的增量赋值运算符。

2.1.7　其他两种整型运算符
除了在本节开始为大家介绍的五种标准算术运算符之外，Python中还可以使用整除运算符（//）和求余运算符（%）。假设m和n是两个正整数，当m除以n时，将得到一个整数的商和一个整数的余数，整数的商记为m//n，整数的余数记为m%n。例如，

本质上讲，m // n 是两数相除，并去掉结果中的小数部分。m % n是m除以n时的余数。一些例子如下：

例5　转换长度
下面的程序将41英寸转换为3英尺5英寸。

2.1.8　括号与优先级
括号可以用来更加清晰地说明表达式的含义。当表达式中有括号时，算术运算符的执行顺序按照以下的优先级进行：

1. 括号中的部分优先计算（由内而外）。
2. 幂运算。
3. 乘法、除法（排列组合和整数）、求余运算。
4. 加法和减法。
   多个同级运算符之间由左向右进行运算。例如，8 / 2 3等价于(8 / 2) 3。

好的编程习惯应该尽可能多地使用括号，这样就不需要刻意记忆优先级的规则。例如，将2 3 + 4写为(2 3) + 4，将4 + 2 3写为4 + (2 3)。
2.1.9　三种类型的错误
文法和标点符号错误称为语法错误。一些使用不当的语句及其错误如表2-1：

当代码由解释器分析（在程序开始运行之前）时，语法错误会高亮显示，Python会弹出类似于图2-1的消息框。在单击“OK”按钮后，Python会用一个闪烁的光标定位程序中出现错误的可能位置。

在程序正在运行时出现的错误称为运行时错误或异常。一些使用不当的语句及其错误如表2-2所示。

表2-2中，前两个错误是NameError，第三个是ZeroDivisionError。当Python遇到异常时，Python将终止当前程序的执行并显示如图2-2所示的消息。这个出错消息的最后两行定位到引发错误的语句并给出错误的类型。

第三种错误称为逻辑错误。这样的错误出现意味着程序没有按照预想的方式执行。例如，语句

语法上没有问题，却得不到正确的结果。计算平均值的正确方法是：

所以，逻辑错误是最难发现与定位的错误。
2.1.10　内存中的数值对象
思考下面的两行代码：

图2-3展示了这两行代码执行时内存的变化情况。当第一行代码执行时，Python分配了一块内存保存数字5。变量n可看做是引用（或指向）数值5的内存地址。当第二行代码执行时，Python又分配了一个新的内存地址保存数值7，并将变量n重新指向新的内存地址。内存中的数字5可看做被丢弃了。最终，Python通过垃圾回收进程将孤立的数值从内存中移除。

注释

1. 变量所使用的名称有时也称为标识符。
2. 数值表达式可以是量、变量、函数与运算符的任意组合，并且表达式的计算结果是一个数值。而一个单独的量或者变量是表达式的一种特殊情况。
3. 表达式或赋值中所使用的数值字面量不可以包含逗号、美元号（$）和百分号。此外，也不允许包含混合数字，如8 1/2。
4. 当数字n是两个相邻整数的中间值（例如1.5、2.5、3.5和4.5）时，round函数将返回与其最为接近的偶数。例如，round(2.5)的结果是2，而round(3.5)的结果是4。
5. 使用科学计数法，数字可以写成b·10r的形式。其中，b是一个从1到（但不包括）10用于表示量级的数字，r是一个整数。Python经常使用科学计数法来表示非常大或非常小的数值，相应地，b·10r写成be+r或be-r（字母e是指数的缩写）。例如，当执行语句print(123.8 (10 * 25))时，结果显示为1.238e+27。
6. 本节介绍的函数都是内建函数，因为它们就是Python语言中的一部分。在第4章，我们将为大家介绍如何创建自己的函数。这些函数通常也叫作用户自定义函数。用户自定义这种说法也有点不太准确。这些函数事实上应该叫作程序员自定义函数。
7. IDLE编辑器使用不同的颜色呈现语言中的不同元素。例如，一般文本使用黑色，而内建函数（如print、abs、int、round）则使用紫色。
8. “异常”是“异常（坏）事件”的简称。
   实践问题2.1
9. 计算 3 + 4×5。
10. 说明下面两个赋值语句的不同：
    

1. 根据要执行的代码填写表格中变量对应的值。
   

2. 写一个语句表示数值变量var的值增加5%。

习题2.1

在习题1～12中，在不使用计算机的情况下，计算数值表达式的值，之后再使用Python验证你的答案。

在习题13～18中，确定哪个名称是合法的变量名。

在习题19～24中，当a = 2、b = 3、c = 4时，计算数值表达式的值。

在习题25～30中，写出计算并显示相应值的代码。

在习题31和32中，根据要执行的代码填写表格中变量对应的值。

在习题33～38中，根据给出的代码写出输出结果。

在习题39～42中，找出其中的错误。

在习题43～48中，给出函数的返回结果。

在习题49～54中，当a = 5、b = 3时，给出函数的返回结果。

在习题55～60中，用增强赋值运算符改写语句。

在习题61～68中，编写程序使得每行代码实现每一个步骤。

1. 计算利润　下面的步骤可以计算公司的利润。
   (a) 创建变量revenue，并赋值为98 456。

(b) 创建变量costs，并赋值为45 000。
(c) 创建变量profit，并赋值为变量revenue和costs的差值。
(d) 输出变量profit的值。

1. 股票购买　下面的步骤可以计算股票购买的数量。
   (a) 创建变量costPerShare，并赋值为25.625。

(b) 创建变量numberOfShares，并赋值为400。
(c) 创建变量amount，并赋值为costPerShare和numberOfShares的乘积。
(d) 输出变量amount的值。

1. 折扣价格　下面的步骤可以计算物品降价30%后的价格。
   (a) 创建变量price，并赋值为19.95。

(b) 创建变量discountPercent ，并赋值为30。
(c) 创建变量markdown，并赋值为price和倍数值（discountPercent除以100）的乘积。
(d) 从price中减去markdown。
(e) 输出变量price的值（保留小数点后两位）。

1. 收支平衡　下面的步骤可以计算公司的收支平衡，即公司为了实现收支平衡必须生产和销售的物品数量。
   (a) 创建变量fixedCosts，并赋值为5 000。

(b) 创建变量pricePerUnit，并赋值为8。
(c) 创建变量costPerUnit，并赋值为6。
(d) 创建变量breakEvenPoint，并赋值为fixedCosts除以（pricePerUnit和costPerUnit的差值）的商。
(e) 输出变量breakEvenPoint 的值。

1. 储蓄账户　下面的步骤可以计算出储蓄账户中以5%年复合利息存入的100美元三年后的余额。
   (a) 创建变量balance，并赋值为100。

(b) 以5%增加变量balance的值。
(c) 以5%增加变量balance的值。
(d) 以5%增加变量balance的值。
(e) 输出balance的值（保留小数点后两位）。

1. 储蓄账户　下面的步骤可以计算出储蓄账户中每年初固定存入100美元以5%年复合利息计算三年后的余额。
   (a) 创建变量balance，并赋值为100。

(b) 以5%增加变量balance的值，并再加上100。
(c) 以5%增加变量balance的值，并再加上100。
(d) 以5%增加变量balance的值。
(e) 输出balance的值（保留小数点后两位）。

1. 储蓄账户　下面的步骤可以计算出储蓄账户中以5%年复合利息存入的100美元十年后的余额。
   (a) 创建变量balance，并赋值为100。

(b) 变量balance乘以1.05的10次幂。
(c) 输出balance的值（保留小数点后两位）。

1. 股票利润　下面的步骤可以计算出股票售出的利润比例。
   (a) 创建变量purchasePrice，并赋值为10。

(b) 创建变量sellingPrice，并赋值为15。
(c) 创建变量percentProfit，并赋值为sellingPrice和purchasePrice差值乘以100再除以purchasePrice。
(d) 输出percentProfit的值。
在习题69～78中，编写相应的程序完成问题的求解。程序中应当为每个量值使用变量。

1. 玉米产量　假设土地亩产玉米18吨，那么30亩大的农场可以种植多少吨玉米？
2. 抛物运动　假设一个球以初始速度每秒50英尺和初始高度5英尺向上笔直抛出。三秒后球所在高度是多少？提示：t秒后的高度可以使用表达式–16t2+v0t+h0计算得出。其中，v0是初始速度，h0是初始高度。
3. 平均速度　如果一辆汽车2点从华盛顿出发，并在7点到达纽约，平均速度是多少呢？提示：华盛顿和纽约相距233英里。
4. 每公里汽油消耗　一个驾驶员想计算他的每公里油耗。在23 352英里时（里程表所示）灌满油箱。在23 695英里时油箱再次加入14加仑后灌满。该车辆在两次加油期间每公里平均消耗多少加仑汽油？
5. 水使用量　一项调查表明美国人平均每人每天要消耗掉1600加仑的水，其中也包括了工业的用水。那么美国一年要消耗掉多少加仑的水呢？提示：美国现人口为3.15亿。
6. 匹萨　美国人平均每秒要吃掉350片匹萨。那么一天会吃掉多少片匹萨呢？
7. 饭店　美国大约有12%的饭店是匹萨店，而美国大约有7万家匹萨店。估算美国饭店的总体数量。
8. 人口增长　2000年美国人口大约为2.81亿，预计到2050年将达到4.04亿。估算美国在21世纪的前50年里的人口增长率。结果四舍五入至最近的整数。
9. 美国国家债务　假设美国国家债务总量为1.68×1013美元，而美国人口为3.1588×108。计算人均美国国家债务。结果四舍五入至最近的整数。
10. 卡路里　估算1立方英里大小的巧克力冰激凌中卡路里的数量。
    提示：1英里有5 280英尺，1立方英尺的巧克力冰激凌大约包含有48 600卡路里。

实践问题2.1的解答

1. 60。乘法运算要先于加法运算。如果原本希望加法要先于乘法进行运算，表达式应该写成(3 + 4) * 5。
2. 第一个赋值语句将变量var2的值赋给了变量var1，而第二个赋值将变量var1的值赋给var2。
3. 

每执行一个赋值语句，只有一个变量（等号左边的变量）的值会发生变化。

1. 下面的四个语句都可以表示将var的值增加5%：